莫易敏 張德來 向科鵬 陳龍龍 何 超

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070)

等速驅(qū)動軸傳動效率影響因素分析及試驗(yàn)研究*

莫易敏 張德來 向科鵬 陳龍龍 何 超

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070)

傳動系的阻力直接影響整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，而驅(qū)動軸作為傳動系中重要的零部件，為了降低某車型傳動系阻力有必要對驅(qū)動軸進(jìn)行研究.明確了驅(qū)動軸傳動效率的影響因素，嚴(yán)格控制變量，采用控制變量法利用臺架試驗(yàn)測試了不同的影響因素對驅(qū)動軸效率的影響.結(jié)果表明，驅(qū)動軸的傳動效率與潤滑脂的選取有較大關(guān)系，與萬向節(jié)的制造精度、萬向節(jié)鋼球數(shù)量，以及驅(qū)動軸的輸入轉(zhuǎn)矩有正相關(guān)關(guān)系，與驅(qū)動軸的夾角成反比關(guān)系，而與驅(qū)動軸的輸入轉(zhuǎn)速則沒有明確關(guān)系.

MPV(多用途汽車)；等速驅(qū)動軸；傳動效率；潤滑脂；夾角；轉(zhuǎn)速

大部分汽車企業(yè)通過降低整車風(fēng)阻、提高發(fā)動機(jī)節(jié)能性等措施來降低汽車油耗[1]，傳動系的阻力的大小直接影響汽車綜合油耗.驅(qū)動軸作為前置前驅(qū)車型傳動系中關(guān)鍵的零部件，對其進(jìn)行降阻研究具有較大的意義.

等速驅(qū)動軸的傳動效率主要受萬向節(jié)夾角、萬向節(jié)節(jié)型、輸入力矩和旋轉(zhuǎn)速度以及潤滑脂類型、萬向節(jié)精度及球籠式萬向節(jié)中鋼珠數(shù)目等因素影響[2-4].而其中的萬向節(jié)夾角、輸入力矩、旋轉(zhuǎn)速度等因素在汽車設(shè)計成型后更改的難度較大，因此能夠優(yōu)化的因素主要為萬向節(jié)精度、球籠式萬向節(jié)中鋼珠的數(shù)目及潤滑類型等[5].

1) 萬向節(jié)精度 等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能要求較高，因而對其加工精度的要求較高.加工精度的高低將直接影響各零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，進(jìn)而影響等速萬向節(jié)內(nèi)部的摩擦力和間隙，最終影響等速驅(qū)動軸的傳動效率，直接關(guān)系到整車性能.

2) 等速萬向節(jié)中鋼球數(shù)目 傳統(tǒng)的六鋼球球籠式等速萬向節(jié)鋼球數(shù)目相對較少，萬向節(jié)鐘形殼、星形套溝道尺寸較大，而與星形套相連接的中間軸花鍵分度圓尺寸較小，故傳統(tǒng)的六鋼球球籠式等速萬向節(jié)體積和質(zhì)量較大，傳遞轉(zhuǎn)矩的能力有限.在滿足驅(qū)動軸用CVJ的強(qiáng)度和耐久性的情況下，增加鋼球數(shù)目能減小萬向節(jié)阻力，降低力矩?fù)p失，從而有利于提高萬向節(jié)傳動效率.

3) 潤滑類型 等速萬向節(jié)內(nèi)部的摩擦極其復(fù)雜，內(nèi)部接觸應(yīng)力很高，潤滑油膜的厚度屬于納米級別，因而要用特殊的潤滑脂進(jìn)行潤滑.不同的潤滑脂種類，其潤滑效果不同.

等速萬向節(jié)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，可以分為中心固定型和伸縮型，萬向節(jié)內(nèi)部摩擦主要由滾動摩擦和滑動摩擦組成[6-7].有兩種方法可以提高萬向節(jié)機(jī)械效率：從運(yùn)動學(xué)角度減少滑動摩擦[8]；從摩擦學(xué)角度減少摩擦力.

為了提高效率，綜合應(yīng)用以上兩種方法來對等速萬向節(jié)進(jìn)行降阻優(yōu)化設(shè)計，探索影響萬向節(jié)效率的各個因素對其效率的影響，并進(jìn)行定量分析，從而為進(jìn)一步的優(yōu)化提供方向.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

本次試驗(yàn)采用通用設(shè)備來搭建臺架以研究等速驅(qū)動軸傳動效率的主要影響因素.試驗(yàn)原理見圖1.動力電機(jī)模擬差速器輸出的動力，磁粉制動器提供轉(zhuǎn)矩，在輸入端輸入指定工況下的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，測量穩(wěn)態(tài)的輸入輸出量.

圖1 試驗(yàn)原理示意圖

1.2 試驗(yàn)工況

為了模擬某MPV車型在NEDC工況下驅(qū)動軸的效率，結(jié)合發(fā)動機(jī)、變速箱以及輪胎的相關(guān)參數(shù)選擇輸入軸轉(zhuǎn)速分別取160，660，1 000 r/min三個轉(zhuǎn)速以模擬NEDC中的三種穩(wěn)態(tài)速度.轉(zhuǎn)矩依據(jù)變速箱的輸出轉(zhuǎn)矩取為100，200 ,400，600，800 N·m.

另外，為了模擬該車型在直行和轉(zhuǎn)彎過程的工況，選取兩萬向節(jié)與中間軸夾角均為3°，5°和10°三種情況進(jìn)行試驗(yàn)以定量分析直行過程中夾角對驅(qū)動軸效率的影響.

1.3 試驗(yàn)方法

為了探尋各個因素對等速驅(qū)動軸傳動效率的影響程度，將試驗(yàn)對象設(shè)置為七組，各相同量均保證為同一批次合格產(chǎn)品，其參數(shù)見表1.

表1 試驗(yàn)分組情況

X型球籠式萬向節(jié)和Y型球籠式萬向節(jié)的制造精度一致，區(qū)別僅在于鋼球數(shù)目，X型球籠式萬向節(jié)具有六個鋼球，Y型具有八個鋼球.優(yōu)質(zhì)三球銷式萬向節(jié)的制造和裝配精度高于常規(guī)萬向節(jié).I型潤滑脂為該MPV車型原廠使用的類型， II型和III型潤滑脂均為委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)配的高性能潤滑脂[9].表2為三種潤滑脂的特征參數(shù).

表2 3種潤滑脂參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部為驅(qū)動軸在對應(yīng)工況下預(yù)熱10 min后開始測量.試驗(yàn)過程如下：

將驅(qū)動軸裝夾在測試系統(tǒng)上，保證等速驅(qū)動軸處于零夾角(0°,-0°)狀態(tài)，將驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min，轉(zhuǎn)矩設(shè)置為100 N·m，充分磨合和預(yù)熱后，使其工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，測量出傳感器的零點(diǎn)漂移量.使試驗(yàn)臺空轉(zhuǎn)，記錄輸入、輸出轉(zhuǎn)矩傳感器的讀數(shù)，從而得到該測試系統(tǒng)的摩擦阻力矩.

按上述設(shè)定的工況，對七組由不同萬向節(jié)或潤滑脂組成的等速驅(qū)動軸加載，記錄穩(wěn)態(tài)下每個測試樣件在各種夾角狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)(測試三次，取平均值)，去除摩擦阻力矩的影響.

2 數(shù)據(jù)分析

輸入軸和輸出軸的功率分別等于它們的對應(yīng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積，等速驅(qū)動軸的傳動效率定義為輸出功率與輸入功率之比[10]，則該等速驅(qū)動軸的傳動效率計算公式為

式中：n1，n2為輸入和輸出軸的轉(zhuǎn)速，r/min；T1，T2為輸入和輸出軸的轉(zhuǎn)矩，N·m.

2.1 潤滑脂種類對驅(qū)動軸綜合效率的影響

在統(tǒng)計不同夾角、不同的轉(zhuǎn)速時各驅(qū)動軸的綜合效率時，各驅(qū)動軸的效率的變化趨勢存在著一定的相似性，以內(nèi)外側(cè)夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉(zhuǎn)速為160 r/min為例，統(tǒng)計不同輸入轉(zhuǎn)矩下各軸的效率的平均值，見圖2.由圖2可知，B組的效率明顯高于A組和C組，E組的效率明顯高于D組和F組.說明II型潤滑脂的性能好于I型和III型.由表2中3種潤滑脂的性能參數(shù)可以看出，II型潤滑脂的摩擦系數(shù)優(yōu)于I型和III型，這可能是影響驅(qū)動軸綜合效率的關(guān)鍵性能.

圖2 各組驅(qū)動軸的綜合效率

2.2 制造精度對驅(qū)動軸效率的影響

驅(qū)動軸的制造精度受制造設(shè)備的影響很大，而國內(nèi)生產(chǎn)驅(qū)動軸的廠家資質(zhì)參差不齊，為了量化制造精度對驅(qū)動軸效率的影響，選用某知名企業(yè)的普通精度驅(qū)動軸和提高精度的優(yōu)質(zhì)驅(qū)動軸來進(jìn)行對比分析.

由于曲線變化存在一定的相似性，比較內(nèi)外側(cè)夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉(zhuǎn)速為160 r/min時組E和組G中驅(qū)動軸傳動效率的差異，見圖3.由圖3可知，采用提高三球銷式制造精度的E組的傳動效率明顯高于普通級別的G組，效率提高約0.1%，另外，由于未對球籠式進(jìn)行精度提高改進(jìn)，如果提高整根驅(qū)動軸的精度，其傳動效率的變化會更加明顯.

圖3 三球銷式萬向節(jié)制造精度對效率的影響

2.3 鋼球數(shù)目對驅(qū)動軸效率的影響

由于鋼球承受的載荷與鋼球數(shù)目有反比關(guān)系，因此，鋼球數(shù)目越少，球籠式萬向節(jié)的阻力越大，因而實(shí)測驅(qū)動軸的效率越低.圖4為G組和B組驅(qū)動軸在內(nèi)外側(cè)夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉(zhuǎn)速為160 r/min時不同轉(zhuǎn)矩工況下的效率圖.由于圖4中G組和B組的變量僅為外側(cè)萬向節(jié)的滾珠數(shù)目，在不同的轉(zhuǎn)矩下，G組的效率都較B組高，說明球籠式萬向節(jié)的鋼球數(shù)目越多，等速驅(qū)動軸阻力越小，其效率越高.

圖4 鋼球數(shù)目對傳動效率的影響

2.4 夾角對驅(qū)動軸效率的影響

圖5為當(dāng)轉(zhuǎn)速為160 r/min，轉(zhuǎn)矩為100 N·m時，A組至F組在三種等夾角狀態(tài)下的傳動效率曲線圖.由圖5可知，當(dāng)夾角變大時，驅(qū)動軸的效率變低.這使得我們設(shè)計驅(qū)動軸的安裝角度時，盡量保證較小夾角以提升驅(qū)動軸效率進(jìn)而提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性.

圖5 三種等夾角狀態(tài)下的傳動效率曲線圖

2.5 轉(zhuǎn)速對驅(qū)動軸效率的影響

由于規(guī)律存在相似性，選取輸入轉(zhuǎn)矩為100 N·m，驅(qū)動軸兩端夾角均為10°(10°,-10°)的工況進(jìn)行分析見圖6.由圖6可知，驅(qū)動軸的效率和轉(zhuǎn)速之間沒有明確的關(guān)系.

圖6 轉(zhuǎn)速對驅(qū)動軸效率的影響

2.6 輸入力矩對驅(qū)動軸的影響

內(nèi)、外萬向節(jié)夾角均為3°時，對七組等速驅(qū)動軸在三種轉(zhuǎn)速下的效率進(jìn)行分析，曲線見圖7.由圖7可知，傳動效率隨轉(zhuǎn)矩的增大和增大.

圖7 輸入力矩對驅(qū)動軸的影響

3 結(jié) 論

1) 潤滑脂對驅(qū)動軸的影響很大，選用II型潤滑脂能較大提升驅(qū)動軸效率，從潤滑脂的參數(shù)可以看出，其SRV摩擦系數(shù)直接與驅(qū)動軸效率相關(guān).

2) 提高驅(qū)動軸的制造精度能能提升其效率，但是幅度不大，因此此項(xiàng)改進(jìn)應(yīng)綜合考慮成本等因素.

3) 球籠式萬向節(jié)的鋼球數(shù)目越多，驅(qū)動軸阻力越小，其效率越高.

4) 當(dāng)夾角變大時，驅(qū)動軸的效率變低，這要求在設(shè)計傳動系時應(yīng)考慮驅(qū)動軸的安裝夾角.

5) 驅(qū)動軸的輸入力矩對驅(qū)動軸的效率影響較大，輸入力矩越大，其效率越高.

6) 驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速對驅(qū)動軸的效率的影響不是太明顯.

[1]章德平.微型汽車半軸支撐軸承性能優(yōu)化及相關(guān)理論與試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2015.

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Analysis and Experimental Research on Influence of Transmission Efficiency for Constant Velocity Drive Shaft of Car

MO Yimin ZHANG Delai XIANG Kepeng CHEN Longlong HE Chao

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

The resistance of the driveline directly affects the fuel economy of vehicle. In order to reduce the resistance of the driveline, it is necessary to intensively study the drive shaft which is an important part in the driveline. Firstly the factors which influence the transmission efficiency of the drive shaft are identified and the variables are controlled strictly. Besides, using the control variation method the influences which the different factors have made on the efficiency of the drive shaft have been tested with the bench test. The result shows that the transmission efficiency of the drive shaft has a lot to do with the selection of the grease, and is positively related with the accuracy of manufacturing and the number of steel balls of the universal joint and the input torque of the drive shaft. However it is negatively related with the angle of the drive shaft, and has no specific relationship with the input rotational velocity of the drive shaft.

multi-purpose vehicle; CVJ(s); transmission efficiency; grease; angle; rotational velocity

2017-06-05

*校企合作基金項(xiàng)目資助(LZ-TDC-JSYJ-2014-0015)

U463.216

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.009

莫易敏(1960—)：男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槟Σ翆W(xué)、機(jī)電一體化